DE10360018A1

DE10360018A1 - Röntgenanode

Info

Publication number: DE10360018A1
Application number: DE10360018A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr. Lenz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-01-20
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2004-07-29

Abstract

Es wird eine Röntgenanode (1) mit einer thermisch hochbelastbaren Oberfläche (2) beschrieben. In der betreffenden Oberfläche (2) der Röntgenanode (1) sind definierte Mikroschlitze (15) angeordnet. Darüber hinaus wird ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer solchen Röntgenanode (1) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenanode mit einer thermisch hochbelastbaren Oberfläche sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Röntgenanode.
Röntgenanoden in klassischen Röntgenröhren weisen eine Oberfläche auf, die aufgrund ihres vorgesehenen Einsatzzwecks einer – insbesondere wechselnden – starken thermischen Belastung ausgesetzt ist. Zur Erzeugung der Röntgenstrahlung wird die Oberfläche einer solchen Röntgenanode mit einem Strahl hochenergetischer Elektronen beschossen. Beim Abbremsen der Elektronen in der Oberfläche der Röntgenanode entsteht dann die gewünschte Röntgenstrahlung. An dem Punkt auf der Oberfläche der Röntgenanode, auf welchem der Elektronenstrahl auftrifft, dem sogenannten Brennfleck, treten Temperaturen von bis zu 2500°C auf. Um die Lebensdauer der Röntgenröhren zu erhöhen, wird daher vielfach mit sogenannten Drehanodenröhren gearbeitet, bei denen eine tellerartige Röntgenanode um ihre Symmetrieachse rotiert. Der Elektronenstrahl trifft diese Drehanode im radial äußeren Bereich, das heißt nahe des Umfangs des Anodentellers. Durch die Rotation des Anodentellers bewegt sich die Oberfläche permanent unter dem innerhalb der Röntgenröhre feststehenden Brennfleck hinweg, so dass sich der Brennfleck auf einer Brennbahn auf dem Anodenteller entlang bewegt und die Oberfläche des Anodentellers nicht immer an der gleichen Stelle trifft. Eine Drehanode ist in 1 im Schnitt dargestellt.
2 zeigt in einem vergrößerten Ausschnitt den genaueren Aufbau einer herkömmlichen Drehanode sowie die Temperaturverhältnisse entlang der Brennbahnoberfläche. Die Drehanode besteht aus einem Teller 4, beispielsweise aus Mo oder TZM, auf dem sich am äußeren Umfang eine Brennbahnschicht 3 aus Wolfram mit einem Anteil an Rhenium (WRe) befindet. Bei größeren Drehanoden ist mit dem Teller 4 oft eine Scheibe 5 aus Grafit verbunden, um die Wärmespeicherkapazität zu erhöhen. Auf der Oberfläche 2 dieser Brennbahnschicht 3 bewegt sich der Brennfleck B. Die Rotationsrichtung des Anodentellers ist mit der Pfeilrichtung R gekennzeichnet. Während des Betriebs herrscht in der Brennbahnschicht 3 eine Durchschnittstemperatur von ca. 1000°C. Auf der Brennbahnoberfläche 2, das heißt in den ersten μm der Brennbahnschicht 3, beträgt die Temperatur ca. 1.500°C. Der Temperaturverlauf an einem bestimmten Oberflächenpunkt bei einem Durchlauf unter dem Brennfleck B ist durch die eingezeichnete Temperaturkurve dargestellt. Unmittelbar beim Überstreichen des elektronischen Brennflecks B nimmt die Temperatur an dieser Stelle ca. 2500°C an. Danach kühlt die Temperatur relativ schnell wieder auf 2000°C ab und klingt dann allmählich auf 1500°C ab, bis schließlich der Brennfleck B erneut über die betreffende Stelle der Brennbahnoberfläche 2 streicht.
Die relativ kräftigen Thermoschocks, wenn der Elektronenstrahl mit seiner hohen Energiedichte über die Brennbahnoberfläche 2 streicht, führen zu einer Thermoermüdung, die in einer starke Aufrauung der Brennbahnoberfläche 2 resultiert. 4 zeigt in schematischer Darstellung einen stark vergrößerten Schnitt durch eine solche Oberfläche. Es bilden sich zwischen einzelnen Rissen 11 backenzahnähnliche Aufwerfungen 12 aus, so dass eine wellige Aufrauung der Oberfläche entsteht. 3 zeigt eine mikroskopische Aufnahme eines Teils der Oberfläche einer Brennbahn eines üblichen Drehanodentellers am Ende ihrer „Lebenszeit", das heißt bei einer Außerbetriebnahme. Die Bildfläche entspricht ca. 2,64 mm². Dieses mikroskopische Bild zeigt sehr deutlich in der Oberfläche gebildete Aufschmelztröpfchen, welche als Stalagmiten aus der Brennbahn herausstehen, sowie zwischen den Aufschmelztröpfchen entstehende Thermoschockrisse. Einzelne dieser Anrisse sind durch weiße Pfeile gekennzeichnet. Bei einer genaueren Auswertung der in 3 gezeigten mikroskopischen Aufnahme wurden insgesamt 194 Anrissbildungen auf 2,64 mm² gezählt. Solche Anrisse können bis ca. 0,7 mm tief nach unten in die Oberfläche hinein wachsen. Durch das Risswachstum wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass Partikel in den Hochspannungsraum abgegeben werden, wodurch in der Folge die Wahrscheinlichkeit von Hochspannungsstörungen zunehmen kann.
Des Weiteren führt die zunehmende Oberflächenrauigkeit der Brennbahnoberfläche 2 zu einer Reduzierung der Strahlenausbeute. Zur Erläuterung wird auf die 2 und 5 verwiesen. Üblicherweise ist die Brennbahnoberfläche 2 unter einem kleinen Winkel α von ca. 7° zur Oberfläche des Anodentellers 1 nach außen hin geneigt. Beim Auftreffen des Elektronenstrahls auf die Brennbahnoberfläche 2 wird gleichmäßig in alle Richtungen Röntgenstrahlung 14 abgestrahlt, wodurch die in 1 gezeigte Röntgenstrahlen-Halbkugel 8 über der Brennbahnoberfläche 2 entsteht. Von der insgesamt abgestrahlten Röntgenstrahlung wird jedoch nur ein kleiner Teil tatsächlich als Nutz-Röntgenstrahlung 10 verwendet und zum Untersuchungsobjekt geführt, wogegen der größte Teil in andere Richtungen abstrahlt und von einem Gehäuse oder mittels einer Blende 9 ausgeblendet wird. Wie 1 deutlich zeigt, wird dabei nur der sehr flach über der Brennbahnoberfläche 2 nach außen hin abgestrahlte Teil der Röntgenstrahlung 14 verwendet. Diese geometrische Anordnung hat den Vorteil, dass der Brennfleck einerseits noch relativ groß gehalten werden kann (in der Regel ca. 10 mm × 1 mm), um die Belastung für die Brennbahnoberfläche möglichst gering zu halten. Andererseits wird durch die Nutzung des nur flach über der Telleroberfläche nach außen abgestrahlten Anteils der Röntgenstrahlung die effektive Größe des Röntgenquellpunktes, bei dem es sich ja um eine Projektion des tatsächlich auf der Brennbahnoberfläche 2 befindlichen Brennflecks B auf die Ebene der Blende 9 handelt, auf geringere Abmessungen von z. B. 1 mm x 1 mm reduziert. Durch den auf diese Weise optisch verkleinerten „wirksamen Röntgenquellpunkt" ist eine bessere Auflösung bei den Röntgenaufnahmen zu erreichen. 5 zeigt deutlich, wie die Oberflächenaufrauung zu einer Strahlungsabschwächung in die Richtung des genutzten Anteils 10 der Röntgenstrahlung 14 führt. Während einige Strahlen 14 ungehindert knapp über die aufgeraute Oberfläche 2 hinweg durch die Blende 9 zum Untersuchungsobjekt gelangen, werden dagegen insbesondere sehr oberflächennahe Röntgenstrahlungen 13 durch die Rauigkeiten auf der Oberfläche 2 abgeschirmt. Mittels Dauerversuchen wurde festgestellt, dass bei einer durchaus üblichen Belastung eines handelsüblichen Anodentellers mit 60 kW Elektronenschüssen zum Ende der Lebenszeit hin die Oberflächenrauigkeitswerte 45 μm (RZ) betragen können und diese eine Schwächung der Nutz-Röntgenstrahlung um 14 % und mehr bewirken können. Da der Anteil der genutzten Röntgenstrahlung im Verhältnis zur insgesamt erzeugten Röntgenstrahlung ohnehin relativ gering ist, wäre es – insbesondere bei der Anwendung in Computertomographen – von großem Vorteil, einen zusätzlichen Dosisverlust durch einen Brennbahnverschleiß in der Größenordnung von über 10 % und mehr zu vermeiden.
Der Verschleiß der Brennbahn ist unmittelbar von der Höhe der auf die Oberfläche einwirkenden Leistung abhängig. Daher zielen bisherige Maßnahmen zur Verlängerungen der Lebensdauer von Röntgenanoden in erster Linie darauf ab, diese Leistung zu reduzieren. Eine Möglichkeit besteht theoretisch darin, die Umdrehungsgeschwindigkeit des Anodentellers zu erhöhen, damit die Brennbahnoberfläche schneller unter dem Brennfleck hindurch läuft. Da die Belastung der Oberfläche aber nur mit der Quadratwurzel der Umdrehungsgeschwindigkeit reduziert werden kann, ist relativ schnell die Grenze der wirksamen Verbesserungsmaßnahmen erreicht. Eine notwendige Vervierfachung der Umdrehungsgeschwindigkeit, um die Belastung der Anodenoberfläche zu halbieren, ist wegen der Lagerbelastung bei normaler Lagerbauweise unrealistisch. Dies gilt sowohl bei der Verwendung von Kugellagern als auch bei einer Verwendung von Gleitlagern zur Lagerung des Anodentellers. Ein weiterer Ansatz zur Reduzierung der Brennbahnbelastung ist eine Dosismodulation in CT-Anlagen, bei der die Strahlendosis immer dann um 20 % gesenkt wird, wenn ein Patient von vorne oder hinten durchstrahlt wird. Dadurch wird der Verschleiß zwar zeitlich verzögert, aber nicht vermieden. Des Weiteren würde eine für bestimmte Anwendungen an sich wünschenswerte weitere Erhöhung der Schussleistungen beziehungsweise Erhöhung der Röntgenausgangsleistungen zwangsläufig zu einem erhöhten Verschleiß der Brennbahn führen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Röntgenanode mit einer thermisch hochbelastbaren Oberfläche sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Röntgenanode anzugeben, bei welchem die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Thermoschockrissen sowie eine Aufrauung der Oberfläche aufgrund der thermischen Belastung weitgehend vermieden oder zumindest in starkem Maße reduziert werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Röntgenanode gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 14 gelöst.
Erfindungsgemäß weist die Röntgenanode in der betreffenden Oberfläche zumindest bereichsweise definierte Mikroschlitze auf, welche entsprechend bei der Herstellung oder im Rahmen einer Nachbehandlung der Röntgenanode in die Oberfläche eingebracht werden. Bei solchen definierten Mikroschlitzen handelt es sich um Schlitze mit Abmessungen im μm-Bereich, welche im μm-Bereich voneinander beabstandet sind.
Es wurde festgestellt, dass die Aufrauung einer Oberfläche, die starken wechselnden Belastungen ausgesetzt ist, in erster Linie darauf zurückzuführen ist, dass sich bei einer Erhitzung die heißen mikroskopischen Volumenanteile zunächst im elastischen Bereich ausdehnen. Dabei behindern sich die Volumenelemente gegenseitig, was zu einem Aufbau von Druckspannung führt. Irgendwann wird die Druckspannung so hoch, dass sie die plastische Druck-Fließgrenze überschreitet, wodurch bestimmte Verformungsvorgänge eingeleitet werden. Zum einen fließt das Material nach oben zur Oberfläche, da zur Seite und nach unten hin eine makroskopische Dehnungsbehinderung durch die benachbarten Volumenelemente besteht. Dieser Materialfluss an die Oberfläche ist zwar am Anfang relativ unmerklich. Bei einer größeren Anzahl von Thermoschocks summiert sich dieser Effekt aber soweit auf, dass es zu einer Welligkeit kommen kann, welche ähnlich einem Orangenhauteffekt wirkt. Des Weiteren kommt es wegen der makroskopischen Dehnungsbehinderung zu Fließvorgängen innerhalb des Materials derart, dass der Werkstoff im Material selber plastisch gestaucht wird, auch wenn makroskopisch die Abmessungen des Volumenelements in der Seitwärtslänge gleich bleibt. Diese beiden Vorgänge sind irreversibel bezüglich des plastischen Anteils. Beim Abkühlen neigt das Material dazu, sich entsprechend genauso viel zusammenzuziehen, wie es sich zuvor ausgedehnt hat. Da aber ein Teil nach oben weggeflossen ist, fehlt dieses Materialvolumen, und es wird bei häufiger Wiederholung des Effektes zu Rissbildungen in der Oberfläche kommen.
Durch das Einbringen von definierten Mikroschlitzen in die Oberfläche werden thermoschockbeanspruchte Materialvolumina von gegenseitigen Dehnungsbehinderungen freigemacht, so dass sich die zwischen den Mikroschlitzen befindlichen, mikroskopischen Volumina frei bewegen können und nach allen Richtungen seitlich ausdehnen können, ohne mit einem benachbarten Volumenelement zusammenzustoßen. Daher bleibt die Materialverformung näherungsweise rein elastisch, d. h. die makroskopischen Volumenelemente können sich ausdehnen und beim Abkühlen wieder zusammenziehen, ohne dass eine bleibende Materialverformung eintreten würde. Wesentliche plastische Dehnungen und Stauchungen und damit einhergehende Materialermüdung werden vermieden. Folglich können die Bildung von Rissen und die Aufrauung der Oberfläche signifikant vermindert werden.
Die Mikroschlitze können prinzipiell beliebig in die Oberfläche eingebracht sein. Bevorzugt sollte jedoch der Abstand zwischen den Mikroschlitzen nicht zu groß gewählt werden, damit die Dehnungsbewegung eines zwischen zwei Mikroschlitzen befindlichen Volumenbereichs nicht in den plastischen Bereich kommt und damit eine signifikante Materialermüdung einsetzen kann. In Dauerversuchen hat sich herausgestellt, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Mikroschlitzen vorzugsweise zwischen 50 und 300 μm liegen sollte. Besonders bevorzugt sollte der Abstand zwischen 100 und 150 μm betragen.
Vorzugsweise werden die Mikroschlitze in einer definierten Mikroschlitzstruktur, d. h. in einem bestimmten Muster angeordnet. Die optimale Form beziehungsweise Anordnung der Mikroschlitze hängt von der jeweiligen Art der Belastung sowie der konkreten Form der Röntgenanode ab. Die genauen Abmessungen und Positionen der Schlitze zueinander sollten daher in Abhängigkeit von der jeweiligen Belastung und der Art des Röntgenröhre bzw. Röntgenanode optimiert werden. Unter Umständen ist es sinnvoll, die optimale Form in geeigneten Parameterstudien für die jeweilige Röntgenanode und den Einsatz vorab zu ermitteln.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Mikroschlitze zumindest bereichsweise streifenförmig in einem bestimmten Rastermaß zueinander angeordnet.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Mikroschlitze zumindest bereichsweise gitterförmig in einem bestimmten Rastermaß angeordnet, so dass sich kleine, ringsum durch Mikroschlitze begrenzte Volumenelemente ausbilden. Bei einem weiteren besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Mikroschlitze zumindest bereichsweise wabenförmig oder wabenformähnlich ausgebildet, d. h. einschließlich geometrischer Verzerrungen aufgrund affiner Projektionen.
Die Mikroschlitze müssen in der Regel nicht tiefer als 100 μm sein. Die Tiefe liegt vorzugsweise zwischen 30 und 100 μm, besonders bevorzugt zwischen 50 und 100 μm.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen zueinander benachbart angeordnete Mikroschlitze außerdem unterschiedliche Schlitztiefen auf. Dadurch wird ein Wärmefluss in das Materialinnere der Röntgenanode möglichst wenig behindert.
Die Breite der Mikroschlitze liegt vorzugsweise zwischen 3 und 15 μm.
Das Schlitz-Aspektverhältnis, das heißt der Verhältnis der Breite zur Tiefe des Mikroschlitzes, liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 1:10, das heißt, dass beispielsweise ein ca. 60 μm tiefer Mikroschlitz eine Breite von ca. 6 μm aufweist.
Die Mikroschlitze können in verschiedenster Weise in die Oberfläche eingebracht werden.
Eine Möglichkeit besteht darin, die Mikroschlitze mit einem Laserstrahl in das Material der Oberfläche einzubrennen. Hierzu kann ein normaler Laser oder ein Excimer-Laser verwendet werden, welcher sowohl im kontinuierlichen Betrieb als auch im Impulsbetrieb betrieben werden kann. Vorzugsweise wird ein weiterer Laser mit geringerer Laserleistung genutzt, um die Oberfläche vor dem Einbringen der Mikroschlitze lokal vorzuerhitzen oder nachzuwärmen. Besonders bevorzugt wird ein Reaktionsgas, beispielsweise Luft, O₂, CO₂ oder ein halogenhaltiges Gas bzw. ein Halogen genutzt, um das vom Laser erhitzte Oberflächenmaterial zur Bildung der Mikroschlitze beschleunigt abzutragen.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung der Mikroschlitze ist die Verwendung eines Hochdruckwasserstrahls. Dabei kann zur Unterstützung des Hochdruckwasserstrahls ein Strahlzusatz wie Korund, Quarzsand verwendet werden. Bei der Herstellung von Mikroschlitzen in Röntgenanodenröhren wird vorzugsweise Wolframstaub verwendet.
Die Mikroschlitze können prinzipiell auch mit Hilfe eines Funkenerosionsverfahrens in die Oberfläche eingebracht werden. Die Funkenerosion kann dabei in Wasser oder in Öl durchgeführt werden. Aus vakuum-hygienischen Gründen erfolgt eine Einbringung von Mikroschlitzen vorzugsweise in einer wässrigen oder alkoholischen Salzlösung.
Insbesondere wenn die Erfindung dazu eingesetzt werden soll, um eine Bildung von Thermoschockrissen zu verhindern, die Risskeime für bruchmechanisch kritische Risse bilden, werden die Mikroschlitze sinnvollerweise so ausgebildet, dass sie nicht selbst als Risskeime für Ermüdungs- oder Kriechrisse wirken können. In solchen Fällen wird der Schlitzgrund sowohl aus bruchmechanischer Sicht als auch im Hinblick auf die Lord-Sneddon-Gleichung, d. h. um eine mechanische Spannungserhöhung zu vermeiden, vorzugsweise deutlich abgerundet. Außerdem wird besonders bevorzugt dafür gesorgt, dass die Mikroschlitze in einem Schlitzgrundbereich breiter sind als an der Oberfläche. Dies lässt sich z. B. dadurch erreichen, dass bei der Herstellung der Mikroschlitze mittels eines Laserstrahls oder eines Hochdruckwasserstrahls mehrfach, d. h. mindestens zweimalig, mit dem Laserstrahl oder Hochdruckwasserstrahl an den verschiedenen Positionen entlang des Mikroschlitzes eingeschossen wird, wobei jeweils der Winkel der Einstrahlrichtung zum Schlitzgrund quer zu einer Schlitzlängsrichtung variiert wird. Hierzu kann zum einen die Einstrahlrichtung an einer bestimmten Position entlang des einzubringenden Mikroschlitzes quer zur Schlitzlängsrichtung geschwenkt werden und anschließend dann der Laserstrahl oder Hochdruckwasserstrahl ein Stück weiter in Schlitzlängsrichtung verstellt werden. Zum anderen kann aber der Laserstrahl oder Hochdruckwasserstrahl auch mehrfach in Schlitzlängsrichtung entlang verfahren werden wobei jeweils unter einem anderen Winkel zur Schlitzlängsrichtung eingeschossen wird.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch eine Röntgendrehanode mit erfindungsgemäß in der Brennbahnoberfläche eingebrachten Mikroschlitzen,
2 einen vergrößerten Teilquerschnitt einer handelsüblichen Drehanode nach dem Stand der Technik,
3 eine mikroskopische Aufnahme eines Ausschnitts der Brennbahnoberfläche eines handelsüblichen benutzten Drehanodentellers,
4 eine schematische Darstellung der Ausbildung von Thermoschockrissen in einer thermisch stark belasteten Oberfläche einer Röntgenanode,
5 eine Darstellung der Abschwächung der Nutz-Röntgenstrahlung aufgrund der Aufrauung der Oberfläche einer handelsüblichen Drehanode,
6 eine Teil-Draufsicht auf eine Drehanode mit zirkular umlaufend in die Brennbahnoberfläche eingebrachten Mikroschlitzen (stark vergrößerte Darstellung der Mikroschlitze),
7 eine Teil-Draufsicht auf eine Drehanode mit spiralförmig in die Brennbahnoberfläche eingebrachten Mikroschlitzen (stark vergrößerte Darstellung der Mikroschlitze),
8 eine Teil-Draufsicht auf eine Drehanode mit spiralförmig und zirkular umlaufenden, in die Brennbahnoberfläche eingebrachten Mikroschlitzen (stark vergrößerte Darstellung der Mikroschlitze),
9 einen vergrößerten Ausschnitt aus einer Oberfläche mit einer erfindungsgemäßen Mikroschlitzstruktur gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
10 einen vergrößerten Ausschnitt aus einer Oberfläche mit einer erfindungsgemäßen Mikroschlitzstruktur gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel,
11 einen vergrößerten Ausschnitt aus einer Oberfläche mit einer erfindungsgemäßen Mikroschlitzstruktur gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel,
12 einen vergrößerten Ausschnitt aus einer Oberfläche mit einer erfindungsgemäßen Mikroschlitzstruktur gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel,
13 einen vergrößerten Ausschnitt aus einer Oberfläche mit einer erfindungsgemäßen Mikroschlitzstruktur gemäß einem achten Ausführungsbeispiel,
14 einen vergrößerten Ausschnitt aus einer Oberfläche mit einer erfindungsgemäßen Mikroschlitzstruktur gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel,
15 einen vergrößerten Ausschnitt aus einer Oberfläche mit einer erfindungsgemäßen Mikroschlitzstruktur gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel,
16 einen vergrößerten Ausschnitt aus einer Oberfläche mit einer erfindungsgemäßen Mikroschlitzstruktur gemäß einem elften Ausführungsbeispiel,
17 einen vergrößerten Ausschnitt aus einer Oberfläche mit einer erfindungsgemäßen Mikroschlitzstruktur gemäß einem zwölften Ausführungsbeispiel,
18 einen vergrößerten Ausschnitt aus einer Oberfläche mit einer erfindungsgemäßen Mikroschlitzstruktur gemäß einem dreizehnten Ausführungsbeispiel,
19 eine Darstellung des Querschnitts von Mikroschlitzen mit abgerundetem und verbreitertem Schlitzgrund,
20 eine mikroskopische Aufnahme eines Ausschnitts der Oberfläche einer benutzten Drehanode, welcher vor Inbetriebnahme mit einem Streifenmuster aus Mikroschlitzen versehen wurde,
21 eine mikroskopische Aufnahme eines Ausschnitts der Oberfläche einer benutzten Drehanode, welcher vor Inbetriebnahme mit einem gitterartigen Mikroschlitzmuster versehen wurde.
In der weiteren Beschreibungen wird, soweit nicht anders erwähnt, davon ausgegangen, dass es sich bei der Röntgenanode 1 um eine Drehanode 1 handelt, in deren Brennbahnoberfläche 2 die Mikroschlitze eingebracht sind. Den prinzipiellen Aufbau einer solchen Drehanode 1 zeigen die 1 und 2.
Bei der Drehanode 1 handelt es sich um einen im Wesentlichen flachen, kreisförmigen Anodenteller 4 aus Molybdän oder TZM. Entlang des äußeren Umfanges befindet sich eine Materialschicht 3 aus Wolfram mit einem Anteil von ungefähr 5 % Rhenium (WRe 5). Die Oberfläche 2 dieser Schicht 3 ist die Brennbahnoberfläche, welche, wie bereits eingangs in Zusammenhang mit 2 beschrieben, starken wechselnden thermischen Belastungen ausgesetzt ist. Der Anodenteller 4 ist an einer Welle 6 befestigt, über welche der Anodenteller 4 um die senkrecht zur Telleroberfläche liegende Symmetrieachse 7 in Rotation versetzt wird. Dadurch wandert der Brennfleck B, an dem die beschleunigten, hochenergetischen Elektronen auf die Brennbahnoberfläche 2 auftreffen, auf der Brennbahnober fläche 2 um. Am Brennfleck B wird durch die hochenergetischen Elektronen die Röntgenstrahlung 14 erzeugt, welche in alle Richtungen von der Oberfläche aus abgestrahlt wird, wodurch die in 1 dargestellte Röntgenstrahlenhalbkugel 8 erzeugt wird. Nur ein geringer Anteil, welcher möglichst flach über der Oberfläche 2 seitlich nach außen abgestrahlt wird, wird tatsächlich genutzt. Die restlichen Anteile werden durch ein umliegendes Gehäuse beziehungsweise durch eine Blende 9 ausgeblendet. Die Brennbahnoberfläche 2 ist um einen Winkel α von 7° nach außen geneigt.
1 zeigt – relativ zum Anodenteller 4 in stark vergrößerter Darstellung – in die Brennbahnoberfläche 2 erfindungsgemäß eingebrachte, zirkular umlaufende Mikroschlitze 15. Eine Röntgenanode nach dem Stand der Technik, wie in 2 darstellt, weist solche Mikroschlitze nicht auf. Die 3 bis 5 wurden bereits eingangs zur Erläuterung der nachteiligen Wirkung der thermischen Belastung auf die Oberflächenrauigkeit sowie deren Auswirkung in Form einer Abschwächung der Nutz-Röntgenstrahlung ausführlich beschrieben.
Die 6 bis 8 zeigen verschiedene Möglichkeiten, die erfindungsgemäßen Mikroschlitze in die Brennbahnoberfläche 2 einzubringen. Hierbei sind in allen Darstellungen die Mikroschlitze relativ zum Anodenteller wieder stark vergrößert dargestellt, um das Prinzip zu verdeutlichen.
6 zeigt das auch in 1 dargestellte, relativ einfache Ausführungsbeispiel, bei dem mehrere Mikroschlitze 15 zirkular, d. h. parallel zum Umfang umlaufend, in die Brennbahnoberfläche 2 eingebracht sind.
Alternativ können die Mikroschlitze auch in radialer Richtung eingebracht werden. Der Nachteil solcher radial angeordneter Mikroschlitze besteht jedoch darin, dass der Brennfleck ständig seine Position ändert, wenn der Elektronenstrahl den Grund eines Schlitzes trifft beziehungsweise wenn er zwischen zwei Mikroschlitze auf die Oberfläche trifft. Daher werden die Schlitze vorzugsweise nicht genau radial, sondern um ca. 15–30° zur Radialrichtung versetzt eingebracht, so dass die Mikroschlitze 16 in etwa spiralförmig verlaufen, wie dies in 7 dargestellt ist.
8 zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel, bei dem durch zirkular umlaufende Mikroschlitze 15 und durch spiralförmige Mikroschlitze 16 ein gitterartiges Mikroschlitzmuster erzeugt wurde, so dass sehr kleine, einzelne Volumenelemente gebildet wurden, die sich in alle Richtungen frei ausdehnen können.
Die 9 bis 18 zeigen jeweils vergrößerte Ausschnitte von Oberflächen, die mit verschiedensten erfindungsgemäßen Mikroschlitzstrukturen ausgestattet sind.
9 zeigt eine einfache Anordnung von parallelen Mikroschlitzen 17. 10 zeigt eine Anordnung mit senkrecht zueinander stehenden, jeweils parallel nebeneinander angeordneten Mikroschlitzen 18, 19, wodurch eine Gitterstruktur entsteht.
11 zeigt schräg über das dargestellte Volumenelement verlaufende, parallele Mikroschlitze 20 und Figur 12 wiederum senkrecht zueinander stehende, aber jeweils schräg zum darstellten Ausschnitt der Oberfläche angeordnete, parallele Mikroschlitze 21, wodurch sich ein karoförmiges Muster ausbildet. Die Winkelstellung der parallel laufenden Schlitze ist dabei prinzipiell beliebig. Insbesondere kann durch eine quer zueinander laufende Anordnung paralleler Mikroschlitze auch ein beliebiges Bautenmuster erzeugt werden.
13 zeigt ein aus mehreren im Sechseck angeordneten Mikroschlitzen 22 gebildetes Wabenmuster. 14 zeigt ein Muster, bei dem ebenfalls aus mehreren kurzen Mikroschlitzen 23 sechseckige Volumenelemente gebildet werden, wobei diese sechseckigen Volumenelemente jedoch mit ihren parallel laufenden Seitenflächen aneinander grenzen, so dass zwischen vier Sechsecken jeweils ein kleines, viereckiges Volumenelement entsteht.
15 zeigt eine Variante, welche sich insbesondere dazu eignet, um gekrümmte Oberflächen mit Mikroschlitzen 24 ähnlich einem Wabenmuster zu versehen. Es handelt sich hierbei um eine Musterkombination aus Sechsecken und Fünfecken, wie sie beispielsweise auch auf Fußbällen zu finden ist.
16 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Mikroschlitze 25 jeweils kreisförmig in die Oberfläche 2 eingebracht sind, wobei die Kreise matrixartig in Reihen und Spalten zueinander angeordnet sind. 17 zeigt eine etwas andere Variante mit kreisförmigen Mikroschlitzen 26, wobei die Kreise zweier benachbarten Reihen versetzt zueinander angeordnet sind, um so eine dichtere Packung der einzelnen Kreis-Volumensegmente zu erreichen.
18 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit ellipsenförmig in die Oberfläche 2 eingebrachten Mikroschlitzen 27. Auch von dieser Version sind die verschiedensten Varianten möglich, wie beispielsweise eine Verdrehung der Ellipsen um 90° oder um 45°.
Neben den darstellten Ausführungsbeispielen können auch beliebige andere Muster in die Oberfläche eingebracht werden.
Sowohl bei den zuerst beschriebenen, für Drehanoden bevorzugten Mustern (6 bis 8) als auch bei den Mustern gemäß den 9 bis 18 beträgt der Abstand zwischen den Schlitzen 15 bis 27 vorzugsweise zwischen 50 und 150 μm, besonders bevorzugt zwischen 80 bis 120 μm. Die Schlitztiefe beträgt vorzugsweise zwischen 30 und 100 μm, besonders bevorzugt zwischen 50 und 100 μm. In der Regel reicht bei Drehanodentellern in Röntgenröhren eine Tiefe von 100 μm aus, da die Zone der extremen Temperaturerhöhung nicht größer ist. Bei einer Verwendung des Verfahrens für andere Röntgenanoden, bei denen die Temperaturerhöhung auch tiefere Zonen erreicht, müssen entsprechend tiefere Schlitze eingebracht werden. Die Breite der Schlitze liegt vorzugsweise zwischen 3 und 15 μm, besonders bevorzugt zwischen 5 und 10 μm. D. h. das Schlitz-Aspektverhältnis liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 1:10. Die genaue Abmessung und Form der Mikroschlitze sowie die Anordnung der Mikroschlitze beziehungsweise des Mikroschlitzmusters werden vorteilhafterweise an die genaue Art und Form der Röntgenanode und die damit verbundenen thermischen Belastungen angepasst.
Insbesondere wenn es darum geht, Thermoschockrisse zu verhindern, die als Risskeime für größere Risse dienen könnten, ist es sinnvoll, den Mikroschlitzgrund abzurunden und die Mikroschlitze im Bereich des Mikroschlitzgrundes breiter auszubilden als an der Oberfläche. Die Mikroschlitze weisen dann den in 19 gezeigten tropfenförmigen Querschnitt auf. Auf diese Weise wird vermieden, dass die Mikroschlitze selber als Keime für größere Risse dienen könnten.
Außerdem werden vorzugsweise benachbarte Schlitze 28, 29 unterschiedlich tief ausgeführt. Bei dem in 19 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die jeweils äußeren Schlitze 28 eine erste Tiefe d₁ auf, wogegen der dazwischenliegende Schlitz 29 nur eine geringere Tiefe d₂ aufweist. Diese versetzten Tiefen verbessern den Wärmeabfluss ins Materialinnere.
Die 20 und 21 zeigen jeweils die Oberfläche von Brennbahnen herkömmlicher Drehanoden, in welche vor einem Einsatz mittels eines Lasers erfindungsgemäß Mikroschlitze eingebracht wurden. Bei dem Brennbahnmaterial handelt es sich um WRe 5. Die Schlitze haben jeweils eine Breite von ungefähr 7 μm und eine Tiefe von 60 μm. Der Abstand zwischen den Mikroschlitzen beträgt hier ca. 190 μm.
20 zeigt einen Ausschnitt aus einem Bereich, in welchem nur parallel laufende Schlitze in die Oberfläche 2 eingebracht wurden, die im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufen. 21 zeigt einen Ausschnitt aus einem Bereich, in welchem eine Gitterstruktur mit quer zueinander in radialer und zirkularer Richtung laufenden Schlitzen eingebracht wurde. Beide mikroskopischen Aufnahmen zeigen jeweils einen Bildausschnitt von 2,64 mm². Es ist daher ein direkter Vergleich mit der in 3 dargestellten mikroskopischen Aufnahme einer herkömmlichen, nicht behandelten Brennbahnoberfläche möglich.
Die so behandelte Drehanode 1 wurde in einem Dauerversuch einer relativ starken thermischen Belastung ausgesetzt, bei der die Brennbahn 3 teilweise bewusst überlastet wurde. Bei einer Auswertung der Bilder zeigt sich, dass bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 20 mit nur radial eingebrachten Schlitzen fast keine Thermoschockrisse zu finden sind, die parallel zur Umfangsrichtung liegen. D. h. eine Neubildung von umfangsorientierten Thermoschockrissen ist praktisch ausgeblieben. Eine Neubildung von Thermoschockrissen in anderer Richtung als umfangsorientiert trat in wesentlich geringer Anzahl auf als bei einer unbehandelten Oberfläche. Es sind hier in den 2,64 mm² lediglich 37 Thermoschockrisse zu zählen, wogegen – wie bereits eingangs erwähnt – bei der nicht präparierten Oberfläche auf der gleichen Fläche insgesamt 194 Thermoschockrisse gezählt wurden. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Oberflächenausstülpung bzw. -kanten nicht so hoch sind wie bei der nicht mit Mikroschlitzen versehenen Oberfläche.
Ein noch besseres Ergebnis zeigt die gitterförmige Anordnung von Mikroschlitzen in radialer Richtung und in Umfangsrichtung gemäß 21. Die genaue Auswertung der mikroskopischen Aufnahme zeigt, dass auf der gesamten Fläche von 2,64 mm² keine neuen großen Thermoschockrisse entstanden sind und mit kleiner Ausprägung in dem gesamten Bildausschnitt lediglich 12 Thermoschockrisse zu finden sind.
Die Auswertungen von Dauerversuchen zeigen, dass selbst bei einer extremen Überbelastung die erfindungsgemäßen Mikroschlitze die gewünschte Wirkung zeigen und dadurch eine erhebliche Reduzierung des Brennbahnverschleißes von Röntgenanoden erreicht werden kann, d. h. die Oberflächenrauigkeit der Anodenoberfläche bleibt wie im Anlieferungszustand erhalten. Das Verfahren ist zudem einfach und kostengünstig. Erste weitere Versuche haben gezeigt, dass beispielsweise die Prozesszeit zur vollständigen Ausstattung der Brennbahnoberfläche eines Anodentellers nur ca. 25 min in Anspruch nehmen wird.

Claims

Röntgenanode (1) mit einer thermisch hochbelastbaren Oberfläche (2), dadurch gekennzeich net, dass in der betreffenden Oberfläche (2) der Röntgenanode (1) zumindest bereichsweise definierte Mikroschlitze (15 bis 29) angeordnet sind.
Röntgenanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroschlitze (15 bis 29) eine definierte Mikroschlitzstruktur bilden.
Röntgenanode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroschlitze (15, 16, 17, 20) zumindest bereichsweise streifenförmig in einem bestimmten Rastermaß angeordnet sind.
Röntgenanode nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroschlitze (15, 16, 18, 19, 21) zumindest bereichsweise gitterförmig in einem bestimmten Rastermaß angeordnet sind.
Röntgenanode nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroschlitze (22) zumindest bereichsweise wabenförmig oder wabenformähnlich in einem bestimmten Rastermaß angeordnet sind.
Röntgenanode nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Mikroschlitzen (15 bis 29) zwischen 50 und 300 μm beträgt.
Röntgenanode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Mikroschlitzen (15 bis 29) zwischen 100 und 150 μm beträgt.
Röntgenanode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (d₁, d₂) der Mikroschlitze (15 bis 29) zwischen 30 und 100 μm beträgt.
Röntgenanode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (d₁, d₂) der Mikroschlitze zwischen 50 und 100 μm beträgt.
Röntgenanode nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart angeordnete Mikroschlitze (28, 29) unterschiedliche Schlitztiefen (d₁, d₂) aufweisen.
Röntgenanode nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schlitz-Aspektverhältnis der Mikroschlitze (15 bis 29) in der Größenordnung von 1:10 liegt.
Röntgenanode nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroschlitze (28, 29) einen im Querschnitt abgerundeten Schlitzgrund (30) aufweisen.
Röntgenanode nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroschlitze (28, 29) in einem Schlitzgrundbereich breiter sind als an der Oberfläche (2).
Verfahren zur Herstellung einer Röntgenanode (1) mit einer thermisch hochbelastbaren Oberfläche (2), dadurch gekennzeichnet, dass in die Oberfläche (2) der Röntgenanode (1) zumindest bereichsweise definierte Mikroschlitze (15 bis 29) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroschlitze mit einem Laserstrahl in die Oberfläche eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche vor dem Einbringen der Mikroschlitze mit einem zweiten Laser lokal vorerhitzt oder nachgewärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Reaktionsgases das vom Laser erhitzte Oberflächenmaterial zur Bildung der Mikroschlitze beschleunigt abgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroschlitze mit einem Hochdruckwasserstrahl in die Oberfläche eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochdruckwasserstrahl mit einem Strahlzusatz verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroschlitze mittel eines Funkenerosionsverfahrens in die Oberfläche eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Funkenerosionsverfahren in einer wässrigen oder alkoholischen Salzlösung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einbringen eines Mikroschlitzes in die Röntgenanodenoberfläche an den verschiedenen Positionen entlang des Mikroschlitzes mehrfach mit einem Laserstrahl oder Hochdruckwasserstrahl eingeschossen wird, wobei der Winkel der Einstrahlrichtung zum Schlitzgrund quer zu einer Schlitzlängsrichtung variiert wird.